LI-2100 | 黄土高原油用牡丹抗旱机制及水通量效应

黄土高原是易蚀黄土沉积区，水土流失是其主要环境问题。植被恢复被认为是防治水土流失的重要手段，其中油用牡丹因其耐旱、耐瘠、耐寒特性，以及显著的水土保持和生态效益，被视为干旱区理想的造林树种。此外，油用牡丹还具有经济价值，其种子可生产食用油，提高农民收入并保障食用油安全。虽然油用牡丹适合在干旱区种植，但关于其水分利用策略、抗旱机制和水文效应的研究较少。

为填补研究空白，本研究采用稳定氢氧同位素（SHOI）和Hydrus-1D模型，探讨油用牡丹的水分来源及通量，明确其不同生育期的水分利用策略及土壤水分供需平衡，量化土壤水分通量。本研究将为黄土高原干旱区的油用牡丹生态管理和水资源可持续利用提供科学依据。

试验以紫斑牡丹为研究对象，地点位于陕西省铜川市中电南部油用牡丹种植园（108.69°E，35.09°N）。该地区属于温带大陆性半干旱半湿润气候，年均降水量为560–604 mm，降雨主要集中在6–9月，年均气温为8.4℃。区域常年日照充足，太阳辐射强，7月日照时长最长。试验地海拔范围为1256.8–1317.3 m，土壤田间持水量为21.3%，具有疏松多孔特性，微团聚体含量约7–10%，孔隙度为48–55%（SF 1、SF 2、SF 3）。

根据油牡丹生育期设置两个10 m×10 m样地（表1）：3–4年生成熟期样地（幼年期）和5–6年生成熟期样地（成熟期）。样地均为梯田结构，种植密度为50 cm×60 cm，每块样地共种植357株油牡丹。试验期间，管理措施仅包括秋末除草和剪除枯枝，未施肥或浇水（SF 4）。

表1. 采样地点的油用牡丹

在油用牡丹生长季，对所有单株的株高和冠幅进行测量，最终选取3株株高和冠幅刚好等于样地所有单株平均株高和冠幅的植株作为采样植株。油用牡丹有典型的退枝枯枝现象，生长季植株生长60% 不发生木质化而在秋季死亡，因此采样方法一般为：剪取直径0.3～0.5cm、长度3～5cm的非绿色木栓化小枝，迅速剥去外皮，放入采样瓶中，用Parafilm封口膜密封，最后放入便携式冰箱冷冻保存（2℃），即可测定油用牡丹茎秆同位素。经过上述步骤后，再逐一摘取每个采样植株单株的所有叶片，计数、称重，得到叶片总数（n）和重量（M）。然后将这些叶子堆叠起来并从这些叶子上切下一块2cm×2cm的标准方块并称重以求得其M值。

每个样地布置三角形，用100 cm³环刀在三角形各角上分别在0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm层取3个天然土壤样品，共计36个土样用于测定土壤容重。在选定的3个采样植物个体冠下，剥去2 cm深的表层土壤，用土壤钻具分层采集土壤样品，每层取3个样品。将土样分为两组，第一组装入便携式瓶中，用封口膜密封，放入便携式冰箱中，测量氢、氧同位素值。另一组放入铝箱带回实验室，分析各层土壤质地（SF 5）。植物和土壤样品的采样日期分别为2019年4月12日、7月15日和9月28日。

样品提取采用LI-2100全自动真空冷凝抽提系统（北京理加联合科技有限公司），单次提取率达 98% 以上，符合合格样品的要求。提取的水分样品和地下水样品采用同位素分析仪行测定。

图1. 油牡丹木质部、土壤水和地下水的δD值。（a）幼年春季；（b）幼年夏季；（c）幼年秋季；（d）成熟春季；（e）成熟夏季；（f）成熟秋季。幼年与成熟油牡丹木质部δD值存在显著差异（P = 0.016）

图2. 油牡丹木质部、土壤水和地下水的δ18O值。（a）幼年春季；（b）幼年夏季；（c）幼年秋季；（d）成熟春季；（e）成熟夏季；（f）成熟秋季。幼年与成熟油牡丹木质部δO18值无显著差异（P =0.25）

图3. 土壤剖面含水量及水源贡献率。（a）幼年春季；（b）幼年夏季；（c）幼年秋季；（d）成熟春季；（e）成熟夏季；（f）成熟秋季。顶端的不同字母表示不同土层土壤含水量具有统计学显著性

图4. 不同立地条件下的表面蒸发、蒸腾和LAI

本研究表明油牡丹水分利用来源多样而复杂，春季至秋季浅土层对牡丹的水分贡献率较大，深层土层对牡丹的水分贡献率逐渐增大，油牡丹更喜欢从含水量较低的土层中吸收水分，土层含水量越低，油牡丹的水分贡献率越高，这是其耐旱性较强的原因。油牡丹肉质根系不耐涝，因此有其特殊的水分利用策略。油牡丹具有促进水分入渗、减少蒸散的作用，具有涵养水分的功能。油牡丹的这些水文特性，使其成为生态修复和水土流失防治的植物品种具有显著的优势。